鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
20世紀60年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從60年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前，圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應的設(shè)計和施工規(guī)范或規(guī)程，如歐洲標準EC4(1996)、德國標準DIN18800(1997)、美國標準ACI319-89、SSLC(1979)和LRFD(1997)、日本標準AIJ(1980，1997)。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的內(nèi)填型圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最早開展研究工作的是原中國科學院哈爾濱土建研究所。1968年以后，中國建筑科學研究院、冶金部冶金建筑科學研究院等單位也先后對鋼管混凝土基本構(gòu)件的工作性能、設(shè)計方法、節(jié)點構(gòu)造和施工技術(shù)等方面展開了系統(tǒng)的研究。進入80年代后，研究工作進一步深入，通過大量的試驗研究和理論分析，對構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進行了全面的研究，得到了實用的設(shè)計計算公式。與此同時，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也在迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新的施工工藝和施工方法，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來，我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學研究和工程應用都取得了令人矚目的成就。目前已經(jīng)先后有國家建材局、中國工程建設(shè)標準化委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)程。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應用于各種大型建筑工程和交通運輸工程中。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應用在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展。
我國對于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作開展得較晚，1985年鄭州工學院開始進行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟大學等單位也進行了方鋼管混凝土構(gòu)件的研究，取得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工規(guī)程尚在制定中。
3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應用
早在19世紀80年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如，1879年英國賽文(severn)鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼25%.1961年比利時建造船塢時，采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋(跨度達48m)中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材12%-28%，降低造價28%，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9%，降低造價56%.日本、瑞士等國在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，也都取得了顯著的經(jīng)濟效益。
在20世紀60年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現(xiàn)場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu)勢沒有得到應有的發(fā)揮。到80年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題，加上現(xiàn)代高強混凝土需要用鋼管約束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國和澳大利亞等國的高層建筑中得到了廣泛應用，被認為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。
我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應用已有近40年的歷史。1966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應用。近10年來，隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用，推動了建造技術(shù)的發(fā)展。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應用于以下的領(lǐng)域中。
3.1高層建筑工程
在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特點，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問題;也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負擔，降低基礎(chǔ)的造價。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進行施工，從而加快施工進度;鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復和加固也比較容易。
3.2大跨度橋梁工程
隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經(jīng)濟且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應用于拱橋結(jié)構(gòu)中，也開始應用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。
在拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土構(gòu)件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復合結(jié)構(gòu)材料。自1990年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來，在10來年的時間里，我國已經(jīng)建成了100多座鋼管混凝土拱橋，其中跨度在100米以上的就有30多座，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達到420米，一跨過江。經(jīng)過多年的實踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。
近年來，在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣取得了良好的經(jīng)濟效益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)恒載，提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù)，同時采用與之相適應的、合理的施工工藝，簡化了施工程序，減少了施工設(shè)備，加快了施工進度，降低了工程造價。在對廣東南海市紫洞大橋主橋進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預應力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較，可以節(jié)省混凝土44%，節(jié)省預應力鋼材62%，增加普通鋼材23%.加上施工設(shè)備、臨時設(shè)施和施工工期等方面的因素，主橋的經(jīng)濟效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型，如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等，推廣其應用必將帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
3.3地鐵車站工程
地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)，用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間。近年來，在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋，在頂蓋的保護下進行開挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M行施工。為此，必須在土方開挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一，因此是的選擇。90年代以來，北京地鐵的復八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進行施工。
20世紀60年代之前，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究對象主要是圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。從60年代后半期以后，開始比較系統(tǒng)地研究矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。目前，圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)取得了豐碩的成果，很多國家制定了相應的設(shè)計和施工規(guī)范或規(guī)程，如歐洲標準EC4(1996)、德國標準DIN18800(1997)、美國標準ACI319-89、SSLC(1979)和LRFD(1997)、日本標準AIJ(1980，1997)。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究主要集中在圓鋼管中填充素混凝土的內(nèi)填型圓鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，最早開展研究工作的是原中國科學院哈爾濱土建研究所。1968年以后，中國建筑科學研究院、冶金部冶金建筑科學研究院等單位也先后對鋼管混凝土基本構(gòu)件的工作性能、設(shè)計方法、節(jié)點構(gòu)造和施工技術(shù)等方面展開了系統(tǒng)的研究。進入80年代后，研究工作進一步深入，通過大量的試驗研究和理論分析，對構(gòu)件的承載力和變形性能及其影響因素進行了全面的研究，得到了實用的設(shè)計計算公式。與此同時，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)也在迅猛發(fā)展，涌現(xiàn)出很多新的施工工藝和施工方法，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢得到了更加充分的發(fā)揮。近十幾年來，我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的科學研究和工程應用都取得了令人矚目的成就。目前已經(jīng)先后有國家建材局、中國工程建設(shè)標準化委員會、國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會和解放軍總后勤部頒布發(fā)行了有關(guān)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計規(guī)程。為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的推廣奠定了堅實的基礎(chǔ)，使鋼管混凝土結(jié)構(gòu)廣泛應用于各種大型建筑工程和交通運輸工程中。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的應用在近十年的時間里得到了飛速的發(fā)展。
我國對于矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的研究工作開展得較晚，1985年鄭州工學院開始進行方鋼管混凝土軸壓短柱的研究，其后同濟大學等單位也進行了方鋼管混凝土構(gòu)件的研究，取得了一定的成果，而我國的矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計施工規(guī)程尚在制定中。
3.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程應用
早在19世紀80年代，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)出現(xiàn)。例如，1879年英國賽文(severn)鐵路橋的建造中采用了鋼管橋墩，在鋼管中灌了混凝土以防止內(nèi)部銹蝕并承受壓力。前蘇聯(lián)烏拉爾的伊謝特鐵路橋采用鋼管混凝土構(gòu)件做拱形桁架的上弦和上部建筑的柱子，省鋼25%.1961年比利時建造船塢時，采用鋼管混凝土構(gòu)件做桁架的壓桿和立柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.法國巴黎居民區(qū)的第一座摩天大樓采用了鋼管混凝土框架柱，比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材40%.前蘇聯(lián)在一些吊車棧橋(跨度達48m)中采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，比全鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材12%-28%，降低造價28%，比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)省鋼9%，降低造價56%.日本、瑞士等國在輸電跨越塔中采用了鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，也都取得了顯著的經(jīng)濟效益。
在20世紀60年代以前，由于鋼管內(nèi)澆注混凝土的施工工藝尚未得到很好的解決，現(xiàn)場的施工操作顯得繁瑣，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在施工性能方面的優(yōu)勢沒有得到應有的發(fā)揮。到80年代后期，由于泵送混凝土工藝的發(fā)展，解決了現(xiàn)場鋼管內(nèi)部澆灌混凝土的工藝問題，加上現(xiàn)代高強混凝土需要用鋼管約束來克服其脆性。因此，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在美國和澳大利亞等國的高層建筑中得到了廣泛應用，被認為是高層建造技術(shù)的一次重大突破。
我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的開發(fā)和應用已有近40年的歷史。1966年鋼管混凝土結(jié)構(gòu)應用于北京地鐵車站工程，70年代又在單層工業(yè)廠房、重型構(gòu)架中得到了成功的應用。近10年來，隨著國家經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的高層建筑工程、地鐵車站工程和大跨度橋梁工程中得到了卓有成效地應用，推動了建造技術(shù)的發(fā)展。在我國，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)主要應用于以下的領(lǐng)域中。
3.1高層建筑工程
在高層建筑結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土柱具有很大的優(yōu)勢：具有承載力高，抗震性能好的特點，既可以取代鋼筋混凝土柱，解決高層建筑結(jié)構(gòu)中普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)底部的“胖柱”問題和高強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中柱的脆性破壞問題;也可以取代鋼結(jié)構(gòu)體系中的鋼柱，以減少鋼材用量，提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移剛度。鋼管混凝土構(gòu)件的自重較輕，可以減小基礎(chǔ)的負擔，降低基礎(chǔ)的造價。全部采用鋼管混凝土柱的工程可以采用“全逆作法”或“半逆作法”進行施工，從而加快施工進度;鋼管混凝土柱的鋼材厚度較小，取材容易、價格低。其耐腐蝕和防火性能也優(yōu)于鋼柱。鋼管混凝土柱不易倒塌，即使損壞，修復和加固也比較容易。
3.2大跨度橋梁工程
隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，需要建造能夠跨越江河、海灣和山谷的，安全、經(jīng)濟且輕盈美觀的大跨度橋梁。在我國，鋼管混凝土已經(jīng)被廣泛地應用于拱橋結(jié)構(gòu)中，也開始應用于斜拉橋結(jié)構(gòu)中。
在拱橋結(jié)構(gòu)中，鋼管混凝土構(gòu)件主要用來承受軸向壓力。拱橋的跨度很大時，拱肋將承受很大的軸向壓力，采用鋼管混凝土構(gòu)件是非常合理的。另外，鋼管可以做為橋梁安裝架設(shè)階段的勁性骨架和灌注混凝土的模板。因此，鋼管混凝土被認為是建造大跨度拱橋的一種比較理想的復合結(jié)構(gòu)材料。自1990年在四川省旺蒼縣建成跨度為115米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來，在10來年的時間里，我國已經(jīng)建成了100多座鋼管混凝土拱橋，其中跨度在100米以上的就有30多座，尤其是重慶市萬縣長江公路大橋，跨度達到420米，一跨過江。經(jīng)過多年的實踐，我國在鋼管混凝土拱橋建設(shè)上已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，形成了一套較為完整的鋼管混凝土拱橋建造技術(shù)。
近年來，在斜拉橋和梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，同樣取得了良好的經(jīng)濟效益。例如，廣東南海市紫洞大橋、湖北秭歸縣向家壩大橋和四川萬縣萬洲大橋都采用了鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)，減輕了結(jié)構(gòu)恒載，提了結(jié)構(gòu)承載力利用系數(shù)，同時采用與之相適應的、合理的施工工藝，簡化了施工程序，減少了施工設(shè)備，加快了施工進度，降低了工程造價。在對廣東南海市紫洞大橋主橋進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，主橋采用鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)與采用預應力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)方案相比較，可以節(jié)省混凝土44%，節(jié)省預應力鋼材62%，增加普通鋼材23%.加上施工設(shè)備、臨時設(shè)施和施工工期等方面的因素，主橋的經(jīng)濟效益就更為可觀。鋼管混凝土空間桁架組合梁式結(jié)構(gòu)適用于多種橋型，如系桿拱橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑斜拉橋結(jié)構(gòu)、特大跨徑懸索橋結(jié)構(gòu)等，推廣其應用必將帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。
3.3地鐵車站工程
地鐵車站是我國最早采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的工程項目。早期的地鐵車站是深埋地下的多跨結(jié)構(gòu)，用明挖法施工;采用鋼管混凝土柱主要是利用其承載力高的特點，以減小柱子的截面尺寸，有效地利用空間。近年來，在城市中心地區(qū)修建的地鐵車站多為淺埋式的、具有綜合功能的多層地下建筑。采用蓋挖逆作法施工，以盡量減少對城市正常生活的干擾以及對地面交通和鄰近建筑的影響。蓋挖逆作法，是先施工地下結(jié)構(gòu)的頂蓋，在頂蓋的保護下進行開挖，按照從頂?shù)降椎捻樞蜻M行施工。為此，必須在土方開挖前設(shè)置好頂蓋的中間支撐柱，鋼管混凝土柱將施工階段的臨時柱和結(jié)構(gòu)的永久柱合二為一，因此是的選擇。90年代以來，北京地鐵的復八線工程中，采用蓋挖逆作法建成了“天安門東站”、“大北窯站”和“永安里站”;在建中的南京地鐵的“三山街站”也是采用的蓋挖逆作法進行施工。